压电执行器的建模与控制方法研究

摘要

压电执行器越来越广泛地应用在了纳米定位技术当中，然而它的非线性却影响了它的使用。虽然通过控制方法可以在一定程度上减小由非线性引起的误差，但是大多控制方法都有多个参数需要确定，这给压电的应用带来了不便。本篇论文正是以压电执行器为背景，以PID控制器为前提，来研究控制器的优化设计方法。本文的主线是压电建模--PID优化--结果分析。
　　 在建模时，分别研究了压电执行器的静态以及动态建模方法，并以PPA80L为研究对象，为其建立静态模型和动态模型。静态模型主要是描述压电执行器的磁滞现象，因此静态模型也称为磁滞模型。通用的磁滞模型有Preisach、Prandtl-Ishlinskii、Bouc-Wen和wiener四种，在本文中均给出了详细的讲解。动态模型是从牛顿第二定律入手建立的，它可以方便地导出压电执行器的传递函数，便于分析和使用，具有很强的实用性。
　　 由于PID控制器的参数很难确定，所以在本文中提出了PID控制器的优化设计方法。优化时，首先是优化算法的选择。本文的优化算法采用的是基于速度最优的粒子群优化算法(VEPSO)，它具有算法思路简单、优化速度快、不易进入局部最优区域等优点。其次是评价函数的选择。评价函数是优化能否取得成功的一个先决条件，因为它将直接鼓励着最优解的走向。本文采用的评价函数是根据典型二阶环节在阻尼系数为0.707时的时域特性建立的，它具有评价性能好，易于使用等优点。由于是第一次提出，所以使用了14个由极限参数的构成的控制对象进行了对比测试，结果最终表明本文提出的评价函数比传统的ITAE和ISTSE评价函数在评价效果上要好得多，在使用范围上要广得多。
　　 确定了优化算法和评价函数之后，最后对压电执行器的PID控制器进行了优化设计。无论是从最终的仿真曲线，还是PID参数上，均证明了本文提出的压电执行器的PID优化设计方案是可行的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 压电执行器的应用实例

1.2.1 压电执行器在原子力显微镜(AFM)中的应用

1.2.2 压电执行器在硬盘(HDD)伺服系统中的应用

1.2.3 压电执行器在尺蠖驱动器(Inchworm Actuator)中的应用

1.2.4 压电超声波驱动器的应用

1.2.5 压电执行器在平面惯性移动机构中的应用

1.3 压电执行器的优缺点

1.3.1 压电执行器的优点

1.3.2 压电执行器的缺点

1.4 选题的目的和论文的主要内容

1.4.1 选题的目的

1.4.2 论文的主要内容

第二章 压电执行器工作原理及磁滞建模方法综述

2.1 压电执行器的工作原理

2.1.1 压电效应

2.1.2 逆压电效应

2.2 磁滞模型

2.2.1 Preisach模型

2.2.2 Prandtl-Ishlinskii模型

2.2.3 Bouc-Wen模型

2.2.4 Wiener模型

2.2.5 四个磁滞模型的总结

2.3 本章小结

第三章 粒子群优化算法(PSO)

3.1 粒子群优化算法

3.2 基本粒子群优化算法(PSO)

3.2.1 PSO的稳定性分析

3.2.2 PSO的计算过程

3.3 基于速度最优的粒子群优化算法(VEPSO)

3.3.1 VEPSO的思想

3.3.2 VPPSO的算法过程

3.3.3 VEPSO的系数确定和结果分析

3.4 本章小结

第四章 压电执行器PPA80L建模

4.1 建立静态(磁滞)模型

4.1.1 优化目标函数

4.1.2 PPA80L的磁滞模型

4.2 建立动态建模

4.2.1 从控制电压到机械输出的模型

4.2.2 从机械输出到电测量输出

4.3 本章总结

第五章 压电PID的VEPSO优化设计

5.1 MATLAB中PlD优化实例"PIDTUNE_DEMO"

5.2 优化评价函数的建立

5.2.1 提出优化评价函数的依据

5.2.2 优化评价函数的形式

5.2.3 测试评价函数的性能

5.3 压电执行器的控制器优化设计

5.3.1 PID控制方案

5.3.2 优化PID参数

5.3.3 PID优化结果分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

附录A PSO测试函数

附录B PSO四种算法函数值下降图

致谢

参考文献

研究成果